一种多路模拟量采集装置的制作方法

专利名称：一种多路模拟量采集装置的制作方法
技术领域：
一种多路模拟量采集装置技术领域[0001]本实用新型涉及一种实验教学用计算机测控系统中的多路模拟量采集装置。
技术背景[0002]在学校实验室组建实验教学用的计算机测控系统，用于采集并测量外接传感器或变送器输出的电压或电流信号，可以让学生在接近真实的场合进行实际动手实验，大大提高学生的动手能力和解决实际问题的能力，但目前市场上还没有专门为高校实验教学生产的模拟量采集装置，而采用实际工业场合的模拟量采集装置作为实验仪器使用，由于价格昂贵，要开设这类实验或实训课，一般仅能组建一两个系统，让学生轮流实验或进行演示实验，教学工作往往不能顺利开展；此外由于此类实验专业性较强，采用工业模块的测控系统，维护也不方便。实用新型内容[0003]本实用新型要解决的技术问题是提供一种成本低廉、功能完善且维护方便，符合工业应用标准的多路模拟量采集装置。[0004]为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是一种多路模拟量采集装置，其特征在于包括电源电路、单片机控制电路、通道切换电路、精密放大与量程转换电路、模拟滤波电路、模数转换电路、电压基准电路和通信接口电路；其中，电源电路的入端1 脚与12-24V电压相连，电源电路的出端2-4脚分别与各部件的电源端相连；外测电压或电流信号接通道接口电路的入端1脚，单片机控制电路的出端3脚输出的控制信号接通道接口电路的入端2脚，通道接口电路的出端3脚接精密放大与量程转换电路的入端1脚，单片机控制电路的出端2脚输出的控制信号接精密放大与量程转换电路的入端2脚，精密放大与量程转换电路的出端3脚接模拟滤波电路的入端1脚，模拟滤波电路的出端2脚输出的模拟电压信号接模数转换电路的入端1脚，电压基准电路的出端1脚输出的参考电压信号接模数转换电路的入端2脚，模数转换电路的出端3脚与单片机控制电路的入端1脚双向连接，单片机控制电路的出端4脚与通信接口电路的入端1脚双向连接。[0005]采用上述技术方案所产生的有益效果在于本实用新型可以实现多路信号的采集，并与计算机按照标准工业协议通信，同时其使用方法和功能完全符合现在市场上主流工业模块的使用标准和功能，用于实验室组建计算机测控系统的实验，成本低廉，维修方便，为高等学校或职业学校组建计算机测控系统实验室提供了一个好的途径。[0006]本实用新型具有如下特点(1)根据需要，通道切换电路可实现0-5V、0_lV、 0-0. 5V和0-0. IV四个量程的切换；(2)选用STC系列高速超强抗干扰低功耗单片机，自带 EEPR0M,内置看门狗并集成了 MAX810专用复位电路；同时该单片机采用20引脚的封装，大大缩小电路板面积；(3)采用标准MODBUS通信协议，可直接与上位计算机的工业组态软件通信。(4)采用集成仪表放大器，实现信号的精密放大和差分到单端的转换；避免了多运放构成的仪表放大器参数难以匹配的问题；(5)模数转换器采用8位的A/D转换芯片，为适应要求更高分辨率的要求，可以用与其引脚完全兼容的10位A/D转换芯片替换，而电路不需做任何改动；(6)实验应用采用DIP直插封装、便于维修和更换芯片；(7)本实用新型首次使用时默认通信参数为波特率9600bps，地址号1，量程5V，可以使用自带的软件修改上述参数。

图1是本实用新型的原理方框图；图2是电源电路的原理图；图3是单片机控制电路的原理图；图4是通道切换、精密放大与量程转换电路的原理图；图5是模拟滤波电路的原理图；图6是模数转换与电压基准电路的原理图；图7是通信接口电路的原理图；图中，U1、单片机，U2、第一多路模拟开关，U3、第二多路模拟开关，U4、仪表放大器，U5、模数转换器，U7、第一稳压器，U8、电压反转器，U9、485通信接口芯片，U10、基准电压源，Ul 1、第二稳压器，J1-J4、输入端子，U12A、放大器，J8、485总线接口。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步详细的说明。针对计算机测控实验室组建和使用成本高、维护不便的问题，本实用新型提供了一种成本低廉，功能完善，符合工业应用标准的多路模拟量采集装置，可以广泛用于测量各种传感器与变送器输出的电压或电流电流信号，并实现与计算机的通信。由图1所示的实施例可知，本实用新型包括电源电路、单片机控制电路、通道切换电路、精密放大与量程转换电路、模拟滤波电路、模数转换电路、电压基准电路和通信接口电路；其中，电源电路的入端1脚与12-24V电压相连，电源电路的出端2-4脚分别与各部件的电源端相连；外测电压或电流信号接通道接口电路的入端1脚，单片机控制电路的出端3脚输出的控制信号接通道接口电路的入端2脚，通道接口电路的出端3脚接精密放大与量程转换电路的入端1脚，单片机控制电路的出端2脚输出的控制信号接精密放大与量程转换电路的入端2脚，精密放大与量程转换电路的出端3脚接模拟滤波电路的入端1脚，模拟滤波电路的出端2脚输出的模拟电压信号接模数转换电路的入端1脚，电压基准电路的出端1脚输出的参考电压信号接模数转换电路的入端2脚，模数转换电路的出端3脚与单片机控制电路的入端1脚双向连接，单片机控制电路的出端4脚与通信接口电路的入端1脚双向连接。本实用新型用于采集2路差分和2路单端模拟电压或电流信号输入，可以和LabVIEff, VB、VC或组态软件编写监控程序通信实现计算机数据采集功能。如图2所示，所述电源电路由第一稳压器U7、电压反转器U8、第二稳压器U11、二极管D3、D4、发光二极管D6、磁珠L、电阻R13和电容C13-C16组成；外接直流电源的正极经二极管D3后分别接第一稳压器U7和第二稳压器Ull的入端1脚，第一稳压器U7的出端3脚为+9V电压，电容C14接在第一稳压器U7的出端3脚与地之间；电压反转器U8的入端8脚接第一稳压器U7的出端3脚，电压反转器U8的出端5脚为-9V电压，电容C15接在电压反转器U8的出端5脚与地之间，电容C16接在电压反转器U8的2脚与4脚之间；第二稳压器Ull的2脚经二极管D4接外接直流电源的负极，第二稳压器Ull的出端3脚为+5V电压，电容C13接在第二稳压器Ull的出端3脚与地之间，第二稳压器Ull的出端3脚经磁珠L输出为模拟+5VA电压，电阻R13与发光二极管D6串联后接在模拟+5VA电压与地之间。第一稳压器U7的型号为MC7809，第二稳压器Ull的型号为MC7805，电压反转器U8的型号为LMC7660。第一稳压器U7和第二稳压器Ull采用12-24V的外接直流电源供电，二极管D3、D4是为了防止电源接反而损坏芯片的保护二极管；第一稳压器U7的输出为+9V电压，电压反转器U8将+9V电压变换为-9V电压，这样得到士9V电压为对称电源，该电源为模拟滤波电路中的放大器U12A和精密放大与量程转换电路中的仪表放大器U4供电；第二稳压器Ull的输出为+5V电压，为5V的数字芯片供电；使用磁珠L实现模拟和数字电源的隔离，该+5V电压再经磁珠L后得到模拟+5VA电压，为模拟芯片供电。设计电路板时应将模拟地和数字地在单点连接到一起。如图3所示，所述单片机控制电路由单片机U1、晶振Y1、电容C1-C3和电阻Rl组成；晶振Yl接在单片机Ul的4、5脚之间，电阻Rl接在单片机Ul的1脚与地之间，电容C2接在单片机Ul的4脚与地之间，电容C3接在单片机Ul的5脚与地之间，单片机Ul的1脚经电容Cl接+5V电压。本实用新型采用高速超强抗干扰系列单片机Ul作为电路核心，实现数据采集和通信的智能控制，型号为STC11F04E，单片机程序包括了模拟量采集程序、数字滤波程序、MODBUS通信程序、EEPROM读写控制程序。单片机Ul利用这些程序完成一个完整的数据采集与通信功能，可以按照MODBUS协议与上位计算机监控程序通过485接口进行通信，可以将采集的数据上传，同时还可以通过用LabVIEW编写的上位机测试软件实现对本实用新型的量程和通信速率的修改。如图4所示，所述通道切换电路由第一多路模拟选择开关U2和第一至第四输入端子J1-J4组成，第一至第四输入端子J1-J4的1脚分别接第一多路模拟选择开关U2的12、14、15、11脚，第一至第四输入端子J1-J4的2脚分别接第一多路模拟选择开关U2的1、5、2、4脚；第三输入端子J3的2脚和第四输入端子J4的2脚分别接地；第一多路模拟选择开关U2的16、6脚分别接模拟+5VA电压、地；单片机Ul的11、12脚分别接第一多路模拟选择开关U2的9、10脚。所述精密放大与量程转换电路由仪表放大器U4、第二多路模拟选择开关U3、第一至第三电位器R4-R6组成；仪表放大器U4的反向输入端2脚、正向输入端3脚分别接第一多路模拟选择开关U2的3、13脚，仪表放大器U4的电源端4、7脚分别接_9V、+9V电压；仪表放大器U4的增益电阻端1、8脚分别接第二多路模拟选择开关U3的出端13、3脚，第一电位器R4接在第二多路模拟选择开关U3的14脚与5脚之间，第二电位器R5接在第二多路模拟选择开关U3的15脚与2脚之间，第三电位器R6接在第二多路模拟选择开关U3的11脚与4脚之间，第二多路模拟选择开关U3的16、6脚分别接模拟+5VA电压、地；单片机Ul的13、14脚分别接第二多路模拟选择开关U3的9、10脚。本实用新型采用了一个双四选一集成多路模拟开关，型号为⑶4052，其中一个模拟开关为第一多路模拟选择开关U2，另一个为第二多路模拟选择开关U3。第一多路模拟选择开关U2实现了 4路输入信号的分时多路采集，通道切换电路包括两路差分信号输入端子 J1、J2和两路单端信号输入端子J3、J4，外接电阻即可实现对标准电流信号的测量，用单片机Ul控制四个输入通道的轮流切换。[0026]为实现精密测量，本实用新型采用的是一款低成本、高精度的仪表放大器U4，型号为AD620AN或AD622AN，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至10，000。AD620AN 采用8引脚SOIC和DIP封装，尺寸远小于三运放分立式设计，大大节省了电路板空间，并且功耗较低(最大电源电流仅1.3 mA)，具有高精度(最大非线性度40 ppm)、低失调电压(最大 50 μν)和低失调漂移(最大0.6 μν/° C)的特性，是电子秤和传感器接口等精密数据采集系统的理想之选，它还具有低噪声、低输入偏置电流和低功耗的特性。[0027]第二多路模拟开关U3为控制仪表放大器AD620AN增益的芯片，单片机Ul控制第二多路模拟开关U3的通道切换，实现Α620ΑΝ增益电阻的改变，从而改变量程。当0通道接通时，增益电阻端开路，增益为1，此时的量程为0-5V ；当1通道接通时，增益电阻为49. 9k， 增益为5，此时的量程为O-IV ；当2通道接通时，增益电阻为5. 49k，增益为10，此时的量程为0-0. 5V ；当3通道接通时，增益电阻为lk，增益为50，此时的量程为0-0. IV。[0028]如图5所示，所述模拟滤波电路为由放大器U12A、电阻R7、R8和电容CIO、Cll组成的低通滤波器；仪表放大器U4的输出端6脚依次经电阻R7、电阻R8接放大器U12A的正向输入端3脚，放大器U12A的反向输入端2脚接输出端1脚，放大器U12A的输出端1脚经电容ClO接电阻R7与电阻R8的节点，电容Cll接在放大器U12A的正向输入端3脚与地之间。[0029]模拟滤波电路的放大器选用双运算放大器LM358，包括两个放大器U12A和U12B。 其中，放大器U12B的正向输入端5脚接地，反向输入端6脚与输出端7脚相连。模拟滤波电路采用二阶有源巴特沃兹低通滤波器，为Mllen-Key拓扑结构，可提供巴特沃兹响应， 也称为电压控制电压源(VCVS)结构，其设计简单，电路元件少，在业界广为使用。图5中滤波器的截止频率为3Hz，经前端仪表放大器U4放大后的信号送入滤波器进行抗混叠滤波。[0030]如图6所示，所述模数转换电路为模数转换器U5 ；模数转换器U5的输入端2脚接放大器U12A的输出端1脚，模数转换器U5的电源端8脚接模拟+5VA电压；模数转换器U5 的5-7脚分别接单片机Ul的18-16脚。[0031]所述电压基准电路由基准电压源U10、电阻R12和电容C4组成；电阻R12接在基准电压源UlO的2脚与+Vcc之间，电容C4接在基准电压源UlO的2脚与地之间，基准电压源UlO的3脚接地，基准电压源UlO的2脚接模数转换器U5的参考电压端1脚。[0032]模数转换器U5采用8位A/D转换芯片，型号为TLC549，其1脚为参考电压输入端， 连接基准电压源UlO输出的5V基准电压，2脚为模拟电压输入端，与前端放大器U12A的输出相连，5-7脚与单片机Ul接口，实现与单片机Ul的数据交换。为适应更高分辨率的要求， 模数转换器U5还可以采用引脚完全兼容的10位A/D转换芯片TLC1M9，而电路不需做任何改动。[0033]要实现精确的测量，模数转换器TO的参考电压端1脚必须选用高精度的基准电压源，基准电压源UlO采用精密基准电压源芯片，型号为LM336，得到5V的A/D转换电压基准， 其体积小，温度系数低，输出稳定，可以满足绝大多数测量的要求。[0034]如图7所示，所述通信接口电路由485通信接口芯片U9、485总线接口 J8、电阻R9-R11、R14、R15和TVS管Dl、D2、D5组成；单片机Ul的2、3脚分别接485通信接口芯片U9的1、4脚，485通信接口芯片U9的2、3脚并接后接单片机Ul的7脚，485通信接口芯片U9的5、8脚分别接地、+5V电压，485通信接口芯片U9的6、7脚分别经电阻R15、电阻R14接485总线接口 J8的2、1脚，485总线接口 J8的1、2脚分别经TVS管DUTVS管D2接地，TVS管D5接在485总线接口 J8的1脚与2脚之间；电阻R9接在485通信接口芯片U9的7脚与地之间，电阻Rll接在485通信接口芯片U9的6脚与+5V电压之间，电阻RlO接在485通信接口芯片U9的6脚与7脚之间。485通信接口芯片U9采用MAX485芯片，由单片机Ul输出的D/R信号直接控制MAX485的发送/接收使能D/R信号为“ 1 ”，则MAX485的发送器有效，接收器禁止，此时单片机Ul可以向RS-485总线发送数据；D/R信号为“0”，则MAX485的发送器禁止，接收器有效，此时单片机Ul可以接收来自RS-485总线的数据。此电路中，任一时刻MAX485中的“接收器”和“发送器”只能够有一个处于工作状态。连接至MAX485的A引脚的上拉电阻Rl 1、连接至B引脚的下拉电阻R9用于保证无连接的MAX485芯片处于空闲状态，提供网络失效保护，这样可使A端电位高于B端，RXD端呈现恒定的高电平，防止单片机Ul接收混乱，以提高RS-485节点与网络的可靠性。RlO为终端匹配电阻，根据实际需要选取。为了更加可靠地保护RS-485网络，确保系统安全，可以增加一些保护电路。如图7中，钳位于6. 8V的TVS管D1、D2、D5都是用来保护RS-485总线的，避免RS-485总线在受外界干扰时(雷击、浪涌)产生的高压损坏RS-485收发器。本实用新型使用RS-485总线实现与上位机的通信，还可以将多个多路模拟量采集装置组合在一起，可以采集分布在工业现场各种环境的模拟量信息。由于计算机端是RS-232接口，本实用新型使用的是RS-485接口，因此必须使用RS-232/485转换器完成下位机的RS-485信号和上位计算机的RS-232信号的转换，才能实现正常通信。
权利要求1.一种多路模拟量采集装置，其特征在于包括电源电路、单片机控制电路、通道切换电路、精密放大与量程转换电路、模拟滤波电路、模数转换电路、电压基准电路和通信接口电路；其中，电源电路的入端1脚与12-24V电压相连，电源电路的出端2-4脚分别与各部件的电源端相连；外测电压或电流信号接通道接口电路的入端1脚，单片机控制电路的出端3 脚输出的控制信号接通道接口电路的入端2脚，通道接口电路的出端3脚接精密放大与量程转换电路的入端1脚，单片机控制电路的出端2脚输出的控制信号接精密放大与量程转换电路的入端2脚，精密放大与量程转换电路的出端3脚接模拟滤波电路的入端1脚，模拟滤波电路的出端2脚输出的模拟电压信号接模数转换电路的入端1脚，电压基准电路的出端1脚输出的参考电压信号接模数转换电路的入端2脚，模数转换电路的出端3脚与单片机控制电路的入端1脚双向连接，单片机控制电路的出端4脚与通信接口电路的入端1脚双向连接。
2.根据权利要求1所述的多路模拟量采集装置，其特征在于所述电源电路由第一稳压器(U7)、电压反转器(U8)、第二稳压器(U11)、二极管(D3、D4)、发光二极管(D6)、磁珠 (L)、电阻(R13)和电容(C13-C16)组成；外接直流电源的正极经二极管(D3)后分别接第一稳压器(U7)和第二稳压器(Ull)的入端1脚，第一稳压器(U7)的出端3脚为+9V电压，电容(C14)接在第一稳压器(U7)的出端3脚与地之间；电压反转器(U8)的入端8脚接第一稳压器(U7)的出端3脚，电压反转器(U8)的出端5脚为-9V电压，电容(C15)接在电压反转器(U8)的出端5脚与地之间，电容(C16)接在电压反转器(U8)的2脚与4脚之间；第二稳压器(Ull)的2脚经二极管(D4)接外接直流电源的负极，第二稳压器(Ull)的出端3脚为+5V电压，电容(C13)接在第二稳压器(Ull)的出端3脚与地之间，第二稳压器(Ull)的出端3脚经磁珠(L)输出为模拟+5VA电压，电阻(R13)与发光二极管(D6)串联后接在模拟 +5VA电压与地之间。
3.根据权利要求2所述的多路模拟量采集装置，其特征在于所述单片机控制电路由单片机(Ul)、晶振(Yl)、电容(C1-C3)和电阻(Rl)组成；晶振(Yl)接在单片机(Ul)的4、5 脚之间，电阻(Rl)接在单片机(Ul)的1脚与地之间，电容(C2)接在单片机(Ul)的4脚与地之间，电容(C3)接在单片机(Ul)的5脚与地之间，单片机(Ul)的1脚经电容(Cl)接+5V 电压。
4.根据权利要求3所述的多路模拟量采集装置，其特征在于所述通道切换电路由第一多路模拟选择开关(U2)和第一至第四输入端子(J1-J4)组成，第一至第四输入端子 (J1-J4)的1脚分别接第一多路模拟选择开关(U2)的12、14、15、11脚，第一至第四输入端子(J1-J4)的2脚分别接第一多路模拟选择开关(U2)的1、5、2、4脚；第三输入端子(J3)的 2脚和第四输入端子(J4)的2脚分别接地；第一多路模拟选择开关(U2)的16、6脚分别接模拟+5VA电压、地；单片机(Ul)的11、12脚分别接第一多路模拟选择开关(U2)的9、10脚。
5.根据权利要求4所述的多路模拟量采集装置，其特征在于所述精密放大与量程转换电路由仪表放大器(U4)、第二多路模拟选择开关(U3)、第一至第三电位器(R4-R6)组成； 仪表放大器(U4)的反向输入端2脚、正向输入端3脚分别接第一多路模拟选择开关(U2)的 3、13脚，仪表放大器(U4)的电源端4、7脚分别接-9V、+9V电压；仪表放大器(U4)的增益电阻端1、8脚分别接第二多路模拟选择开关(U3)的出端13、3脚，第一电位器(R4)接在第二多路模拟选择开关(U3)的14脚与5脚之间，第二电位器(R5)接在第二多路模拟选择开关(U3)的15脚与2脚之间，第三电位器(R6)接在第二多路模拟选择开关(U3)的11脚与 4脚之间，第二多路模拟选择开关(U3)的16、6脚分别接模拟+5VA电压、地；单片机(Ul)的 13、14脚分别接第二多路模拟选择开关(U3)的9、10脚。
6.根据权利要求5所述的多路模拟量采集装置，其特征在于所述模拟滤波电路为由放大器(U12A)、电阻(R7、R8)和电容(CIO、Cll)组成的低通滤波器；仪表放大器(U4)的输出端6脚依次经电阻(R7)、电阻(R8)接放大器(U12A)的正向输入端3脚，放大器(U12A)的反向输入端2脚接输出端1脚，放大器(U12A)的输出端1脚经电容(ClO)接电阻(R7)与电阻(R8)的节点，电容(Cll)接在放大器(U12A)的正向输入端3脚与地之间。
7.根据权利要求6所述的多路模拟量采集装置，其特征在于所述模数转换电路为模数转换器(U5)；模数转换器(U5)的输入端2脚接放大器(U12A)的输出端1脚，模数转换器(U5)的电源端8脚接模拟+5VA电压；模数转换器(U5)的5-7脚分别接单片机(Ul)的 18-16 脚。
8.根据权利要求7所述的多路模拟量采集装置，其特征在于所述电压基准电路由基准电压源(U10)、电阻(R12)和电容(C4)组成；电阻(R12)接在基准电压源(UlO)的2脚与 +Vcc之间，电容(C4)接在基准电压源(UlO)的2脚与地之间，基准电压源(UlO)的3脚接地，基准电压源(UlO)的2脚接模数转换器(U5)的参考电压端1脚。
9.根据权利要求8所述的多路模拟量采集装置，其特征在于所述通信接口电路由485 通信接口芯片(U9)、485 总线接口(J8)、电阻(R9-R11、R14、R15)和 TVS 管(Dl、D2、D5)组成；单片机(Ul)的2、3脚分别接485通信接口芯片(U9)的1、4脚，485通信接口芯片(U9) 的2、3脚并接后接单片机(Ul)的7脚，485通信接口芯片(U9)的5、8脚分别接地、+5V电压，485通信接口芯片(U9 )的6、7脚分别经电阻(Rl5 )、电阻(Rl4 )接485总线接口( J8 )的 2、1脚，485总线接口(J8)的1、2脚分别经TVS管(D1)、TVS管(D2)接地，TVS管(D5)接在 485总线接口(J8)的1脚与2脚之间；电阻(R9)接在485通信接口芯片(U9)的7脚与地之间，电阻(Rll)接在485通信接口芯片(U9)的6脚与+5V电压之间，电阻(RlO)接在485 通信接口芯片(U9)的6脚与7脚之间。
专利摘要本实用新型公开了一种实验教学用计算机测控系统中的多路模拟量采集装置，包括电源电路、单片机控制电路、通道切换电路、精密放大与量程转换电路、模拟滤波电路、模数转换电路、电压基准电路和通信接口电路；本实用新型可以多通道采集并测量传感器或变送器输出的电压或电流信号，并在单片机控制下，经精密放大与量程转换、模拟滤波以及模数转换等处理后，按照工业标准协议实现与计算机通信。本实用新型成本低廉、功能完善且维护方便，符合工业应用标准，为高等学校或职业学校组建计算机测控系统实验室提供了一个好的途径。
文档编号G09B19/00GK202331914SQ20112048617
公开日2012年7月11日 申请日期2011年11月30日 优先权日2011年11月30日
发明者陈雷 申请人:东北石油大学秦皇岛分校